獲得均勻細小的等軸晶組織是提升鋁合金加工及力學性能、消除鑄造缺陷的有效途徑，但傳統晶粒細化劑（如AlTiB）用于含Zr等元素的高強及超高強鋁合金存在細化“中毒”現象，已成為高端鋁合金材料發展的“堵點”。通過添加晶種合金，引入高效精準的晶種作為異質形核襯底來實現晶粒細化是破解鋁行業“堵點”的重要手段。TiCx被公認為是一種有效的鋁合金形核劑，而B摻雜型TiCx（TCB）更是一種高效的鋁合金形核晶種。研制高效、穩定、抗Zr（Si）致細化“中毒”的鋁合金超級晶粒細化劑——晶種合金，一直是鋁工業界追求的目標，但由于對TiCx促進α-Al形核的科學機理尚不清楚，使上述研究未能取得實質性和突破性進展。

山東大學劉相法教授團隊在此領域開展了十多年系統研究，在TiCx對α-Al形核機理與摻雜型晶種應用研究方面取得雙突破。近期與南京理工大學等單位開展聯合研究，在TiCx對α-Al形核機理的研究方面取得以下重要進展：

發現異質形核襯底TiCx與α-Al間獨特的晶體學位向關系：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角，該夾角的形成從理論上縮小了Al與TiCx晶格參數的差異，提高了晶格匹配度。

從原子尺度上揭示TiCx與α-Al之間的富Ti過渡層，闡明其可以有效降低界面錯配度，是TiCx發揮α-Al形核襯底作用的關鍵。

通過熱力學計算結合第一性原理手段，首次提出TiCx與Al界面處富Ti過渡層的形成條件及關鍵閾值x，TiCx作為一種非化學計量比的化合物，在720℃的鋁熔體中，當x＜0.92時，TiCx能夠不斷地向鋁熔體中釋放Ti，從而使α-Al與TiCx之間形成富Ti過渡層，x越小，釋放Ti的熱力學驅動力越大，TiCx的形核潛力越大。

相關成果以“A new insight into heterogeneous nucleation mechanism of Al by non-stoichiometric TiCx”為題發表在金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。山東大學楊化冰博士（現齊魯工業大學（山東省科學院）新材料研究所助理研究員）為論文第一作者，南京理工大學聶金鳳副教授和山東大學劉相法教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422003585

圖1Al–5Ti–0.25C細化劑中Al/TiCx的位向關系表征。表明Al與TiCx具有如下位向關系：[011]Al//[011]TiCx，(1-11)[011]Al與(1-11)[011]TiCx呈21°夾角。將0.3%Al–5Ti–0.25C細化劑加入到工業純鋁中，也發現了相同的位向關系（圖2）。

圖2 0.3% Al–5Ti–0.25C細化后的工業純Al中Al/TiCx的位向關系表征。

圖3 Al–5Ti–0.25C細化劑中Al/TiCx的界面表征。表明Al與TiCx之間有一層含Ti過渡層（Layer 1）。

圖4 Al/TiCx界面結構的第一性原理原子尺度計算。界面處不含Ti時，Ti1a層的晶格畸變為±1.1%；界面含Ti時，則降低為-0.19%和+0.22%。表明界面處Ti元素的存在能夠有效降低界面錯配度。

圖5 TiCx在720℃鋁熔體中演變的熱力學計算結果（(0.47≤x＜y≤0.98)）。表明x＜0.92時，TiCx具有向鋁熔體中釋放Ti的熱力學驅動力，x越小，驅動力越大。

圖6TiCx粒子表面元素種類和含量的XPS分析結果。隨TiCx在鋁熔體中保溫時間的延長，其表面摻雜的Al原子逐漸增多，Ti原子逐漸減少，從動力學角度闡明了TiCx可以向鋁熔體中釋放Ti。

基于相關基礎研究，經過持續創新和關鍵技術攻關，研究團隊在摻雜型TCB-Al晶種合金及其熔體處理新技術方面取得了重要突破。不僅從根本上破解了Zr致細化“中毒”堵點，而且徹底消除了Si致細化“中毒”難題。為超高強變形鋁合金和高端鑄造鋁合金及其加工技術的發展提供了有效“抓手”。相關技術獲授權國家發明專利8項，申請國際發明專利1項，主持制定國家團體標準1項，注冊商標權1件；獲山東省技術發明一等獎1項。創新產品及應用技術在上市較短時間內，已在國內外60余家先進鋁加工企業推廣應用，其中包括多家行業領先的國際公司。

圖7 與TCB-Al晶種合金應用技術相關的國家團體標準等有關文件及其產品

致謝：本工作得到了國家自然科學基金重點項目（No. 51731007）和國家自然科學基金（No. 52071189、No. 52071179和No.52171182）的支持和資助。